Ein Blitzer für Spinwellen

Ein kurzer Lichtblitz kann gewöhnlichen Materialien außer­gewöhnliche Eigenschaften verleihen, wie die perfekte Effizienz der Supra­leitung – und das sogar bei Raum­temperatur. Allerdings sind diese Trans­formationen berüchtigt dafür, sehr flüchtig zu sein – sie verschwinden bereits nach wenigen Piko­sekunden wieder. Nun hat ein internationales Forscherteam, an dem auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie am CFEL in Hamburg beteiligt sind, synchronisierte Infra­rot- und Röntgen­laser­pulse benutzt, um magnetische Eigenschaften in dieser viel­versprechenden Quanten­landschaft gleichzeitig gezielt zu beeinflussen und nachzuweisen. Die schnelle, optisch getriebene Schaltung zwischen magnetischen Zuständen, die hier mit beispielloser Präzision untersucht wurde, könnte eines Tages das Lesen und Schreiben von Daten in Computern und anderen digitalen Geräten revolutionieren.

„Wir haben eine Methode entwickelt, um licht­induzierte magnetische Dynamik auf der Zeitskala von Femto­sekunden mit bisher unerreichter Detail­genauigkeit sichtbar zu machen“, sagt Mark Dean, Physiker am Brookhaven National Laboratory in den USA. „Das bringt uns dem Ziel näher, das Rezept zu verfeinern, um diese Materialien auf ultra­schnellen Zeitskalen zu manipulieren.“

Diese neuartige Röntgentechnik, die man zeit­aufgelöste resonante inelastische Streuung nennt, offenbarte die Dynamik sehr schwacher Spin­korrelationen, die sich in Form von Wellen durch das Material ausbreiten und seine magnetischen Eigenschaften bestimmen. Eine entscheidende Beobachtung ist, dass diese durch einen Infra­rot­laserpuls ausgelösten Wellen sich unterschiedlich verhalten, je nachdem ob sie sich in einer zweidimensionalen Ebene oder in einem drei­dimensionalen Raum ausbreiten.

„Innerhalb einer zweidimensionalen Atom­schicht hielt der neuartige Zustand nur für wenige Piko­sekunden an”, sagt Yue Cao, Physiker in Brookhaven. „Aber drei­dimensionale Korrelationen breiten sich auch über die Grenze einzelner Atomlagen aus und verschwinden erst nach hunderten Piko­sekunden – für die hier betrachteten Zeit­skalen ist das ein gewaltiger Unterschied. Es ist unglaublich aufregend, an einer neuen Technik Pionier­arbeit zu leisten und dann ihren Erfolg zu sehen.“ Der Großteil der experimentellen Arbeit beruhte auf den leistungs­starken und präzisen Freie-Elektronen-Röntgen­lasern des LCLS am SLAC in Stanford, Kalifornien, und der Anlage SACLA in Japan.

Um neuartige magnetische und elektronische Eigenschaften zu erzeugen, verwenden Wissenschaftler oft die Technik des chemischen Dotierens, welche die atomare Struktur eines Materials durch Einbringen von Fremd­atomen verändert. Dadurch lässt sich die Zahl der Elektronen im Material äußerst genau vergrößern oder verringern, aber der Prozess führt zu einer dauerhaften Veränderung.

„Wir wollten ähnliche Zustände vorübergehend erzeugen, also benutzten wir die Photo­dotierung“, sagt Dean. Ein Laserpuls liefert die benötigten Photonen, welche die Elektronen- und Spin­konfiguration der Probe ändern – dieselben Spins, die für Phänomene wie Supra­leitung verantwortlich gemacht werden. Augenblicke später wechselt das Material wieder in seinen Ursprungs­zustand. In der vorliegenden Arbeit verwendeten die Forscher Strontium-Iridium-Oxid (Sr₂IrO₄), das für seine starken magnetischen Wechsel­wirkungen bekannt ist. Den Spin gezielt zu beeinflussen war vergleichsweise einfach – die wahre Herausforderung lag darin, ihn während der Bewegung abzulichten.

Die leistungsstarken Lichtquellen waren in der aktuellen Arbeit LCLS und SACLA, welche die einzig­artige Fähigkeit besitzen, eine Quanten-Spinwelle mitten in der Bewegung festzuhalten. Beide Anlagen sind in der Lage, Röntgen­pulse von extrem kurzer Dauer und sehr hoher Helligkeit zu erzeugen. „Unser Wissen, dass diese Anlagen hinreichend kurze und präzise Laser­pulse liefern können, hat dieses Projekt erst ins Leben gerufen”, sagt Koautor John Hill.

Im ersten Schritt des Experiments traf ein Infrarot-Laserpuls den in Schichten angeordneten Stoff Sr₂IrO₄ und zerstörte seinen ursprünglichen magnetischen Zustand. Für einen kurzen Moment formten die Elektronen des Materials Spinwellen, die sich kräuselnd durch das Material ausbreiteten und seine elektronischen und magnetischen Eigenschaften drastisch veränderten. Piko­sekunden später folgte ein Röntgen­strahl und wurde von diesen gerade entstandenen Wellen zurückgestreut. Durch Messung der Impuls­änderungen und der Streuwinkel konnten die Forscher die kurz­lebigen elektronischen und magnetischen Eigenschaften messen.

Diesen Prozess, bei dem Röntgenstrahlen von einer Probe abprallen und das Streulicht vermessen wird, nennt man resonante inelastische Röntgen­streuung (RIXS). Mitglieder des Forschungsteams gehörten zu den Wegbereitern dieser Technik in der Untersuchung ähnlicher Fest­körper­phänomene im Gleichgewicht. Das aktuelle Forschungs­projekt erweitert diese Technik, indem sich dynamische Prozesse nun zeit­aufgelöst aufnehmen lassen.

„Über die bemerkenswerten Fähigkeiten von LCLS und SACLA in der Bereitstellung ultrakurzer Femto­sekunden-Röntgen­pulse hinaus, war die Heraus­forderung, der wir uns stellen mussten, wie man die Reaktion der Spins nachweisen könnte,“ sagt Xuerong Liu vom Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking. „Wir brauchten also ein auf unsere Bedürfnisse zugeschnittenes Röntgen­nachweis­system – eine ‚Kamera‘.“

Die Wissenschaftler entwickelten ein hochspezialisiertes RIXS-Spektrometer, das milli­metergroße Silizium­kristalle zur exakten Energie­messung der zurückgestreuten Röntgen­strahlen einsetzte. Die Messdaten offenbarten einen klaren Unterschied der Ausbreitung und Zeitskala der magnetischen Phänomene; die Korrelationen zwischen den verschiedenen Material­ebenen brauchten mehrere hundert Mal länger um in die Ausgangs­lage zurück­zukehren als jene innerhalb der einzelnen Ebenen.

„Die Resultate stimmen mit theoretischen Erwartungen überein, was ermutigend ist. Aber noch wichtiger ist, dass sie die Stärke und Präzision der Methode aufzeigen,“ sagt Michael Först vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg. „Wir können nun tiefer in den Mechanismus eintauchen und uns Strategien überlegen, um die Kontrolle der magnetischen Eigenschaften durch Licht noch feiner abzustimmen.“

Als nächsten Schritt planen die Wissenschaftler, die Anregung mit optischen Pulsen bei noch größeren Wellenlängen, d.h. im mittleren Infrarot­bereich, zu erforschen. Dies würde die Atome innerhalb des Materials verschieben, ohne direkt die Elektronen und Spins anzuregen. Diese Arbeit könnte dazu beitragen, die natürliche magnetische Kopplung innerhalb des Materials aufzudecken. Im Umkehr­schluss würde dies aufzeigen, wie diese Kopplung am besten aufgebrochen wird, um zwischen verschiedenen elektronischen und magnetischen Zuständen hin- und herzuschalten.

MPSD / DE